5#排水泵站基坑突涌问题分析与处理

2014-04-11刘硕

建筑与预算 2014年4期

刘硕

（营口市城市规划设计院，辽宁营口 115004）

0 前言

随着辽宁（营口）沿海产业基地一期建设的快速发展，根据整体一期规划要求需建雨水提升泵站及排水泵站。这些工程的开挖深度大约9米左右，有的个别项目均离相应排水出口河道很近，在地下承压水位较高的地区进行基坑开挖,渗流问题总是最为突出,而突涌和管涌是基坑工程渗流破坏的一种主要的表现形式.根据工程项目基坑在实际的开挖过程中，5#排水泵站基坑在进行井点降水的同时，基坑局部产生了突涌管涌现象。基坑管涌是指在渗透水流作用下，土中细粒所形成的孔隙通道中被移动，流失，土的孔隙不断扩大，渗流量也随之加大，最终导致土体内形成贯通的渗流通道，土体发生破坏的现象。基坑突涌是指当基坑下伏有承压含水层时,如果开挖后基坑底所留隔水层支持不住承压水压力的作用,隔水层将被顶裂,发生冒水冒砂、淹水甚至毁坑事故，基坑深度已远不能满足基坑突涌安全的要求，需采取抗突涌处理，确保基坑及周边环境安全。由于承压水的水头高，水量大，处理不当极易引起事故，且抗突涌措施造价昂贵，基坑突涌在本项目中已成为基坑施工能否成功的关键问题。

1 咸水河两岸工程地质条件及承压水性状分析

（1）地形、地貌

勘察区位于辽宁营口沿海产业基地内，新民大街与安定南路的交汇处，地势较平坦。场地所处地貌类型为下辽河冲积海积平原地貌。

（2）岩土体工程地质特征

依据勘察结果，拟建场地在勘探深度内，地基土层依据其成因类型，沉积关系以及力学性质的差异进行分层，场区内土层自上而下可分为4层，各土层的工程地质特征分述如下：

第①层：素填土黑灰色，以盐滩冲积淤泥质粘性土、块石等组成，松散，潮湿。层底埋深为0.60～0.70米，层厚0.60～0.70米。

第②层：粉质粘土灰黄色，软塑状态，中等干强度，中等压缩性，中等韧性，稍有光泽，含有少量铁质结核。层底埋深为3.00～3.10米，层厚2.4米。

第③层：淤泥质粉质粘土夹薄层粉砂灰～灰黑色，饱和，软塑～流塑状态，高压缩性，稍有光泽，干强度中等，含有腐殖质，含有大量贝壳碎片，有腥臭味。夹多层薄层粉砂，粉砂后5～20cm。层底埋深为13.80～14.00米，层厚10.80～10.90米。

第④层粉细砂灰色，饱和，中密状态，主要矿物成分为长石、石英等，颗粒分选、磨圆较好。夹多层粉质粘土薄层。层底埋深大于20米，本次勘察未能穿透此层。

（3）水文地质特征

勘察场地范围内见有地下水，勘探器件稳定水位埋深为0.85米，地下水类型为第四系孔隙潜水，补给来源主要为大气降水，水位具有季节性变化，其变幅为0.5～1.0米左右。根据该场地地下水水质分析结果，按照《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）第12章有关条款，进行地下水对混凝土、钢筋混凝土中的钢筋、钢结构的腐蚀性评价。

①地下水对混凝土结构的腐蚀性评价

地下水中，SO42-含量=1847.00mg/L，Mg2+含量=2460.30mg/L，NH4+含量=0.70mg/L，总矿化度=27538.60mg/L；PH值=6.8；侵蚀性CO2含量=0.00mg/L；HCO3-含量=165.50mg/L。结论：地下水对混凝土结构为弱腐蚀。

②地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋腐蚀性评价

地下水中，CL-含量=CL-+SO42-*0.25=34765.45+1847.00*0.25=35227.20mg/L，结论：地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋有强腐蚀。

③地下水对钢结构的腐蚀性评价

地下水中，pH=6.5，CL+SO42-含量=34765.45+1847.00=36612.45mg/L，结论：地下水对钢结构有中等腐蚀。

表1：场地地层厚度埋深及层底标高统计表

④根据了解情况咸水河南安定南路路中设计海拔标高为3米，咸水河最高水位3.2～3.5米，咸水河常水位2.5米。

（4）天然地基土的分析

第①层：素填土，不能作为天然地基持力层,应挖除；第②层：粉质粘土，在场地内分布连续层位较稳定,均匀性较好，可以作为建筑物基础持力层，但应考虑软弱下卧层对基础不均匀沉降的影响,综合确定承载力特征值fak=115kpa；第③层：淤泥质粉质粘土夹薄层粉砂，在场地内连续分布且厚度较大，均匀性较差,为软弱土层，是浅基础地基的软弱下卧层，也是地基产生沉降变形的主要土层,不宜直接作为该场地建筑物基础持力层，综合确定承载力特征值fak=69kpa；第④层：粉细砂，呈中密状态,均匀性较好，综合确定承载力特征值fak=165kpa。

判定该场地土的类型为中软土，场地类别为IV类。

（5）场地稳定性评价

根据区域地质资料，该场地无不良地质作用，无断裂构造通过，场地稳定。地下水对基坑开挖影响较大，施工时，建议采用井点法或管井法先进行降水，使地下水位低于开挖深度以下1～2米.基坑施工时,应按照《建筑边坡工程技术规范》做好边坡支护设计。

2 管涌、突涌发生原因及危害

坝身或坝基内的土壤颗粒被渗流带走的现象称为管涌，管涌也叫翻沙鼓水。堤防、闸坝工程如地基为透水性强的沙土、沙卵石层，或表面为粘性土，其下有沙层，且控制渗流的工程设施效能低或损坏失效，临河水位升高时，渗透坡降增大，渗透流速、压力也随之增加，当渗透坡降大于堤坝地基土体允许的渗透坡降时，地基土体中土粒被渗透水流推动，连续带走，发生渗透变形和破坏，即形成管涌。发生原因：(1)堤坝、水闸地基土壤级配缺少某些中间粒径的非粘性土壤，在上游水位升高，出逸点渗透坡降大于土壤允许值时，地基土体中较细土粒被渗流推动带走形成管涌；(2)基础土层中含有强透水层，上面覆盖的土层压重不够；(3)工程防渗或排水(渗)设施效能低或损坏失效。管涌很容易造成土体失稳，破坏基坑，管涌发生时，水面出现翻花，随着上游水位升高，持续时间延长，险情不断恶化，大量涌水翻沙，使堤防、水闸地基土壤骨架破坏，孔道扩大，基土被淘空，引起建筑物塌陷，造成决堤、垮坝、倒闸等事故。

当基坑开挖后，基坑底面下不透水土层的自重压力小于下部承压水水头压力时，引起基坑底土体隆起破坏并同时发生喷水涌砂的现象。在上覆不透水层的厚度减小到一定程度时，承压水的水头压力能顶裂或冲毁基坑底板，造成地基强度破坏，承压含水层中的地下水和砂土大量涌入基坑，导致围护结构严重下沉,坑外地面严重塌陷等，支撑体系严重破坏或相邻建(构)筑物发生破坏等,并给施工带来很大困难。矩形基坑，中心点挠度最大,最容易挠曲破坏产生突涌。基坑形状对基坑突涌也有影响，方形基坑最不利。矩形基坑的突涌不仅与压力平衡有关，而且与基坑的平面尺寸、土体的抗剪强度有关。

在砂、粉砂、或砂质粉土等土层开挖基坑,如不采取井点降水措施或井点降水未达到预定效果，在坑内外的水头差作用下，基坑底部可能产生冒水翻砂现象(及产生管涌)，严重时可导致基坑失稳或影响施工进程，降水工程结束后，地下结构的重量以及基础底面至承压含水层顶板之间的残留土层的重量土层的重量不足以抵抗承压水头的顶托力或潜水含水层的浮力时，地下结构将会发生上浮。一旦发生了上浮现象,地下结构的复位将十分艰难。

3 5#排水泵站工程实例分析

本工程进行轻型井点降水方法，井点降水法就是在巨大基坑开挖之前，在基坑周围埋设一定数量的滤水管，利用抽水设备抽水，使地下水降落至基坑以下，并在基坑开挖过程中不断抽水,使要开挖的土保持干燥。由于第③层淤泥质粉质粘土夹薄层粉砂，在基坑开挖井点降水过程中的滤水管逐步被淤泥质粉质粘土所堵塞，基坑地下水水位也逐渐提高，5#排水泵站池底顶海拔标高为-5.500米（-3.400），池底厚0.6米，加上0.2米厚素混凝土垫层，基坑的底标高是-6.300米（-4.200），池顶标高3.500米，根据了解情况咸水河南安定南路路中设计海拔标高为3.13米，咸水河最高水位3.2～3.5米,咸水河常水位2.5米，咸水河北侧坝上海拔标高为3.86米，坝下海拔标高2.3米，5#排水泵站当时场地标高2.3米。所以5#排水泵站池底基坑与咸水河常水位水头差为8.8米，与咸水河最好水位最大水头差为9.8米。轻型井点降水当时是到5#排水泵站进行验槽，基坑在验槽的过程中发现了在最低矩形基坑的中心部位，出现一点管涌现象，首先是冒水后来发展趋势很快，随着冒水翻砂现象逐步出现并逐步加大加强，由一点变为几点管涌，井点滤水管阻滞，现场勘察处理另加井点滤水管尽快重新建立一套轻型井点降水系统弥补降水阻滞造成的地下水位升高，准备进行降压处理，以避免更大危及基坑的安全，造成巨大损失，因为是新区建设周围还没有巨大建筑物，只有刚刚建成的新民大街危机面小。5#排水泵站距离南侧咸水河很近，正值夏秋潮位偏高防汛时期，因水头大，布置的滤水管直接形成了突涌现象，无法设置另一套轻型井点降水系统，直接从滤水管冒出水夹杂着粉质粘土泥浆及细粉砂，随着咸水河潮水位升高及时间推移，明显粉质粘土基坑有上浮趋势，并且基坑内已经盛了至少0.3米厚粉质粘土泥浆及细粉砂，同时在基坑的围护结构分别又打了若干根木桩，本工程基坑采取1：2的自然坡度放两步大台阶，辅以打木桩来作为围护，还要保证距离5#排水泵站的咸水河北侧大坝安全，在汛期内要防止基坑产生塌陷突涌产生更大管涌，经过研究决定立即采取在基坑内灌注商品混凝土，“先堵漏，后注浆”的施工，同时直接连接多个大功率水泵对连接粗口水带对基坑进行直接抽水、泥浆及细粉砂，随时观察基坑内泥浆及砂浆涌入量来控制合适抽泥浆及细粉砂的速度，先拔出产生突涌滤水管的同时，用足够的量高压高强度防水商品混凝土先堵住各个滤水管处的突涌及最先产生管涌的地方，还要保证基坑内的标高，因为排水工艺上5#排水泵站是有海拔标高控制的要与整体产业基地一期排水管网系统的连接，如果产生基坑上浮池底标高保证不了排水工艺要求，可能迫使调整5#排水泵站的位置，即使调整位置也是采取临近处理，基本情况也会很近似，因道路管道均提前预留，也会增加更大附加费用，控制好度是很关键，不能让抽的比冒出的量多而产生直接引起更大管涌突涌趋势，也就是随时关注基坑的稳定性，迅速进行堵住各个突涌管涌出水、粉质粘土泥浆及细粉砂位置，及时进行灌注高标号商品混凝土满堂加固，保证基坑围护结构稳定的同时，在管涌突涌控制住后，待把高标号商品混凝土挤出上面的夹杂着水、粉质粘土泥浆、细粉砂及部分被混的商品混凝土用粗口水带逐步抽出，基坑突涌管涌逐渐得到了有效控制，基坑基本不再漏水，由于处理及时、措施到位，周边变形区域也趋于稳定。灌注的高标号商品混凝土，立即作为泵站混凝土垫层，及时进行5#排水泵站的底板施工，在对基坑围护结构加固的同时已经把侧板的钢模板也作为加固整体，而后迅速对泵站侧板进行施工，增加整体性对基坑的整体上浮有很大的抑制作用，围护-降水一体化，也是综合考虑一种最好最有效的施工方法，有利的一点是新区建设，只有已建道路，周围没有已建及在建建筑物，沉降影响危害小，在对此项目的通力合作下，施工进程步入正轨。